第5章--电容传感器

1、第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器Iphone 的指纹识别传感器。电容式传感器电容式传感器- -实例实例 指纹识别所需电容传感器指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属的手指放在上面时，金属导体阵列导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮肤就皮肤就构成了相应的小电容器阵构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同金属导体之间的距离不同而变化。而变化。电容式传感器电容式传感器

2、- -实例实例 传声器（传声器（MicrophoneMicrophone）俗称话筒）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声电，音译作麦克风，是一种声电换能器件，可分电动和静电两类换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱乐等方面，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。式和电容式。 电容传声器以电容传声器以振膜振膜与与后极板后极板间的间的电容量变化通过前置放大器变换电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器，但这种传声器是高性能传

3、声器，但这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加制造工艺复杂，价格高，需外加6060200V200V的极化电压源，一般在的极化电压源，一般在专业领域使用较多。专业领域使用较多。电容式传感器电容式传感器- -实例实例 电容传声器核心是电容传声器核心是平板电容器平板电容器，振动膜片是一片表面经过金，振动膜片是一片表面经过金属化处理的属化处理的轻质弹性薄膜轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的生振动时，膜片与后极板之间的相对距离相对距离发生变化，膜片与发生变化，膜片与极板所构成极板所构成电容器的量就发生变化电容器的量就发生变化。极板上的。极

4、板上的电荷随之变化电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。出，从而完成了声音信号与电信号的转换。 0rSSCdd S5.1 5.1 工作原理工作原理211 24()Crrrr2lnlCRr单体多层电容器：包含几层不同的绝缘材料，其介电常数各单体多层电容器：包含几层不同的绝缘材料，其介电常数各不相同。不相同。5.1 5.1 工作原理工作原理纵向分层纵向分层横向分层横向分层相当于两个并联电容，其相当于两个并联电容，其电容为各部分电容之和。电容为各部分电容之和。相当于两个串联电容相当于

5、两个串联电容, ,总电总电容为两个串联分电容容为两个串联分电容112212AACCCdd111ACd221ACd1212121111()ddCCAC由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量不考虑边缘效应，其电容量ACd5.1.15.1.1电容式传感器电容式传感器电容式传感器的结构和原理电容式传感器的结构和原理两平行板正对面积两平行板正对面积两平行板之间的距离两平行板之间的距离电容极板间介质电容极板间介质的介电常数，的介电常数， = = 0 0 r r ，其中，其中 0 0为真空介电常数为真空介电常数， r

6、r极板间介质极板间介质的相对介电常数的相对介电常数变面积型变面积型变极距型变极距型变 介 电变 介 电常数型常数型5.1.1 变面积型变面积型5.1 5.1 电容式传感器的结构和原理电容式传感器的结构和原理型型直线位移型直线位移型Sdaxbx直线位移型电容传感器原理图直线位移型电容传感器原理图(一一)变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 动极板沿定极板移动动极板沿定极板移动x，则电容量变化为：，则电容量变化为：0b axb xCCdd灵敏度灵敏度0CCbkxda 显然，显然，C与与动极板位移动极板位移x呈呈线性线性关系关系Sdaxbx线位移变面积型线位移变面积型电容因位移而产生的变化量为：

7、电容因位移而产生的变化量为：00b xxCCCCda 5.1.1 变面积型变面积型axCC0电容量的变化电容量的变化C与与高度的变化高度的变化 x 呈呈线性线性关系关系圆柱型线位移式圆柱型线位移式2lnlCRr0CCKll灵敏度灵敏度)/ln()(2rRxlC)1 ()/ln(2lxrRllxCCCC00)1 (0lxC灵敏度灵敏度22220()2222rrrrCCdddd0CCK当动极板产生当动极板产生角位移角位移时时, 与定极板间的有效覆盖面积改变与定极板间的有效覆盖面积改变, 两极板间的电容量改变。两极板间的电容量改变。2.2.角位移变面积型角位移变面积型0CC动极板动极板定极板定极板0

8、ACd001ACCCd 当当=0 时时当当0时时, 则则:0CC 0CCK灵敏度灵敏度 半圆形时半圆形时0CC 变面积式电容传感器的变面积式电容传感器的输出特性是线性的输出特性是线性的，灵敏度灵敏度是常数是常数。 这一类传感器多用于检测这一类传感器多用于检测直线位移直线位移、角位移角位移、尺寸尺寸等参量。等参量。 差动式电容传感器的灵敏度比单边的差动式电容传感器的灵敏度比单边的提高了一倍提高了一倍变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器总结总结圆柱型差动线位移式 灵敏度0CCKll12()ln(/ )llCR r120222ln(/ )llCCCCR rl02CCKll22()ln(/ )ll

9、CR r用途：用途：测量纸张、绝缘薄膜等的测量纸张、绝缘薄膜等的厚度厚度非接触性测量非接触性测量测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度湿度5.1.2变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器（1 1）有介质插入，两段电容串联）有介质插入，两段电容串联l 可用可用介电常数测量仪介电常数测量仪，其它参数，其它参数不变的情况下，改变不变的情况下，改变则电容发则电容发生变化生变化l 测厚仪测厚仪，改变，改变x x，则电容发生则电容发生变化，变化，可用来测量纸张、绝缘薄可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度膜等的厚度2121C CCCC1.1.平板结构平板结

10、构010d1d1100ddACBACCC(2)(2)单组式平板线位移变介质型单组式平板线位移变介质型dAC11111A2A0dAC202dAACCC201121dACCC)(0110应用应用- -湿度测量湿度测量 湿敏电容一般是用高湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的分子薄膜电容制成的 当环境湿度发生改变当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其常数发生变化，使其电容量也发生变化，电容量也发生变化，其电容变化量与相对其电容变化量与相对湿度成正比。湿度成正比。在工农业生产、气象、环保、国防、科在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度研、航

11、天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。进行测量及控制。变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器1CBld2d12xCACACBCBACCC11221ddbxCA211ddxlbCB单组式平板线位移变介质型单组式平板线位移变介质型2110ddblC电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量 x x 呈线性关系。呈线性关系。 121212100ddlxCCC 12121210ddlxCC2 2 圆筒结构圆筒结构用于测量液位高低。用于测量液位高低。设被测介质的设被测介质的介电常数为介电常数为1液面液面高度为高度为h, 变换器总高度为变换器总高度为H，内筒外径为内筒外径为d，外筒内径为，外

12、筒内径为D。dDnHC120dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011电容增量正比于被测液位高度电容增量正比于被测液位高度h。变介电常数型电容传感器的应用变介电常数型电容传感器的应用油量测量油量测量当燃油增大，当燃油增大，h2h2增大，增大，C C也增大也增大，即传感器的电容增大；即传感器的电容增大；燃油减少，燃油减少，h2h2减少，减少，C C也减小也减小，即，即传感器的电容减少。传感器的电容减少。这样传感器就把油量的变化转换为这样传感器就把油量的变化转换为电容的变化，通过测量电容的大电容的变化，通过测量电容的大小就能知道油量的多少小就能知道油量的

13、多少。变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器5.1.3 5.1.3 变间隙（极距）型电容传感器变间隙（极距）型电容传感器 变极距型传感器变极距型传感器原理原理0rSSCdd 1. 变间隙（极距）型电容传感器的工作原理分析变间隙（极距）型电容传感器的工作原理分析d0若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d0缩小了缩小了d，电容量增大了，电容量增大了C，000000/11S dCSCCCdddddd230000111dddddddd 1. 变间隙（极距）型电容传感器的工作原理分析变间隙（极距）型电容传感器的工作原理分析若若d/d01时，则展成级数：时，则展成级数：2300000

14、011ddddCCCdddd00ddCC此时此时C与与d近似呈线性关系，所以近似呈线性关系，所以变极距型电容式变极距型电容式传感器只有在传感器只有在d/d0很小时，很小时，才有才有近似近似的的线性线性关系关系。灵敏度灵敏度0200gCCAkddd 1. 变间隙（极距）型电容传感器的工作原理分析变间隙（极距）型电容传感器的工作原理分析d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。1.1.灵敏度灵敏度0200gCCAkddd 灵敏度灵敏度KgKg与极

15、距的与极距的平方成反比平方成反比，极距越小，灵敏度越高。，极距越小，灵敏度越高。提高灵敏度，应减小起始间隙。一般电容式传感器的起始提高灵敏度，应减小起始间隙。一般电容式传感器的起始电容在电容在202030pF30pF之间，极板距离在之间，极板距离在2525200200 m m的范围内。的范围内。2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析gdgd00一般电容式传感器的一般电容式传感器的云云母片的相对介电常数是母片的相对介电常数是空气的空气的7 7倍，其击穿电压倍，其击穿电压不小于不小于1000kV/mm1000kV/mm，而空，而空气仅为气仅为3kV/mm

16、3kV/mm。定极板定极板动极板动极板有了云母片极板间的起始间距有了云母片极板间的起始间距 可大大减小。极大地提高了电容可大大减小。极大地提高了电容式传感器的灵敏度式传感器的灵敏度K，在在微位移微位移测量测量中应用最广中应用最广2.非线性误差非线性误差上述等式成立的条件是：上述等式成立的条件是：d/d01时，高次项省略，若时，高次项省略，若保留二次项，则有：保留二次项，则有：)1 (000ddddCC其相对非线性误差为其相对非线性误差为可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线性，但此时相对非线性误差误差增大。增大。2300000011ddddCC

17、Cdddd200()100%() 100%()2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析为提高为提高灵敏度灵敏度和和线性度线性度，克服电源电压、环境温度变化等外，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，常采用界条件影响，常采用差动式差动式电容传感器电容传感器上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。减

18、或反之。差动式结构差动式结构12S2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析差动式结构差动式结构2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析当动极板向上位移当动极板向上位移时：时：电容器电容器C1的间隙的间隙1变为变为0 ；电容器电容器C2的间隙的间隙2变为变为0+ ；20011CC10011CC差动式结构差动式结构23100001()().CC23200001()().CC在在 / / 0 0 1 1时，按级数展开：时，按级数展开：2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析电

19、容值总的变化量为：电容值总的变化量为：24000021()().CC电容值相对变化量为：电容值相对变化量为：3512000022()2().CCCC差动式结构差动式结构24000021()().CC2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析24000021()().CC只保留上式中的线性项和三次项只保留上式中的线性项和三次项, 电容式传感器的电容式传感器的相对非线性相对非线性误差误差为：为：32002 ()100%()100%2() 差动式电容传感器差动式电容传感器灵敏度灵敏度是原来的是原来的2倍倍 零点附近的零点附近的非线性误差非线性误差大大大大降低降

20、低。 差动式结构差动式结构2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙型电容传感器总结变间隙型电容传感器总结变间隙型电容传感器的变间隙型电容传感器的输出特性是非线性的输出特性是非线性的灵敏度灵敏度Kg与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高越高，但线性误差，但线性误差增加增加差动式电容传感器的灵敏度比单边的差动式电容传感器的灵敏度比单边的提高了一倍，提高了一倍，非线性误差非线性误差减小了一个数量级。减小了一个数量级。2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析电容式传感器例题电

21、容式传感器例题解：解： 1） 2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格格PF01. 03 . 0/10*213 . 0/10*2*48. 1/1/PF48. 110*3 . 0)10*4(*1085. 8330003231220ddddCCdrdSC一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r r=4mm=4mm，工作初始间，工作初始间隙隙d d=0.3mm=0.3mm，介电常数，介电常数=8.85=8.851010-12-12F/mF/m，试求：，试求：1)1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量工作中，若传感器与工件的间隙减小量d d=2m=2m, , 电

22、容变化电容变化量是多少量是多少? ?2)2)若测量电路的灵敏度若测量电路的灵敏度S S1 1=100mv/PF=100mv/PF, , 读数仪表的灵敏度读数仪表的灵敏度S S2 2=5=5格格/mv/mv, , 当当d d=2m=2m, ,时，读数仪表示值变化多少格时，读数仪表示值变化多少格? ?变极距（变极距（d）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变极距（变极距（d）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变介电常数型变介电常数型 变介电常数型变介电常数型 变介电常数型变介电常数型

23、变介电常数型变介电常数型 5.2.1 调频电路调频电路LCf21 当被测信号为当被测信号为0时，振荡器有一个固有频率时，振荡器有一个固有频率f0, 其表示式其表示式为为 LCf2105.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C0， 振荡器频率有振荡器频率有相应变化相应变化， 频率为频率为 ffLCCf00)(21特点：特点：1）较高的灵敏度较高的灵敏度，可以测量高至，可以测量高至0.01m级级位移变化量位移变化量2 ）抗干扰能力强）抗干扰能力强3 ）性能稳定性能稳定4）易于易于计算机通讯，可以发送、计算机通讯，可以发送、 接收，以达到遥测遥接收，

24、以达到遥测遥控的目的。控的目的。 5.2.1 调频电路调频电路5.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路xACd00iCUU dA 线性线性反馈电容反馈电容初始电容初始电容反馈电容反馈电容初始电容初始电容5.2 5.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路2.运算放大器电路运算放大器电路从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性问题。线性问题。条件：假设运算放大器增益条件：假设运算放大器增益实际上仍具有一定非线性误差，但这种误差是相当小的实际上仍具有一定非线性误差，但这种误差是相当小的总结总结5.2 5.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路2.运算放大器电路运算放大器电路5.2 5.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥Cr1Cr2Ua ad dc cb ba ad dc cb b211